采用STM32控制L6470步進電機驅(qū)動器

國營七八五廠第三研究所 王 凱 韓力立

采用STM32控制L6470步進電機驅(qū)動器

國營七八五廠第三研究所 王 凱 韓力立

常用的步進電機控制器，根據(jù)不同的運動方式需要由單片機發(fā)出不同頻率的和數(shù)目的脈沖信號到專用控制芯片，而ST公司的數(shù)字控制電機驅(qū)動芯片L6470內(nèi)部數(shù)字控制系統(tǒng)可實現(xiàn)完備的運動曲線控制方案，只需要使用單片機發(fā)出命令告訴它要怎樣運動即可，簡化了電路和程序。

數(shù)字控制內(nèi)核；微步；STM32；SPI接口

步進電機是將電脈沖信號變?yōu)殡姍C角位移的或機電執(zhí)行元件，步進驅(qū)動器接收到一個脈沖，電機旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，非常適合單片機控制，因此可以用單片機控制脈沖的數(shù)量來控制電機的旋轉(zhuǎn)角度，控制脈沖的頻率來控制電機的旋轉(zhuǎn)速度，而改變電機電流的方向可以改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。

ST公司的L6470省去了單片機的這些工作，單片機只要通過命令告訴L6470以什么樣的速度運行到什么位置停止，電機就會在L6470數(shù)字內(nèi)核的控制下按指定方式運行，這些只要發(fā)送一個函數(shù)命令即可，剩下的就交給L6470去完成。

1.系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，整個系統(tǒng)由4部分組成，電源、單片機（MCU）、L6470、電機，其中電源的24V給L6470的功率驅(qū)動電路供電，24V經(jīng)過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為3.3V分別給單片機和L6470的數(shù)字控制部分供電。單片機通過SPI接口控制L6470，而L6470把各種狀態(tài)位反饋回單片機。上位機可以通過串口命令控制電機。

2.驅(qū)動芯片L6470簡介

L6470是ST公司生產(chǎn)的新一代兩相步進電機驅(qū)動芯片，可以在8～45V的寬電壓下工作，峰值電流7A(平均電流最大3A)。內(nèi)部集成兩個低導(dǎo)通電阻的DMOS全橋電路和數(shù)字控制內(nèi)核，可以高效地驅(qū)動步進電機，精確的片上電流檢測電路有完備的電流控制能力和過電流保護。獨特的控制系統(tǒng)可以把單步細分為最多128微步，使運動效果更平滑穩(wěn)定。數(shù)字控制內(nèi)核通過配置制定寄存器能夠按照用戶定義設(shè)置加速、減速、勻速和運動到目標(biāo)位置等運動方案。具有完備的過熱、欠壓、過流、當(dāng)機、反電動勢補償?shù)缺Ｗo方案。所有的命令和數(shù)據(jù)寄存器都由一個標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口訪問和控制。

2.1 運動控制命令

單片機通過SPI接口可以向L6470發(fā)送以下4種不同的運動控制命令。

恒速命令：讓電機以設(shè)定的加減速度旋轉(zhuǎn)到恒定的速度。

絕對位置命令：設(shè)定電機以指定路徑或最小路徑旋轉(zhuǎn)到指定位置，然后停止。

運動命令：讓電機按指定的方向運動指定步進數(shù)目

停止命令：使電機停轉(zhuǎn)。

以上4種命令配合加減速控制，可以實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制方案，不再需要單片機來計算脈沖頻率、脈沖數(shù)目，脈沖時序等參數(shù)。

2.2 內(nèi)部寄存器說明

L6470內(nèi)部一共有25個可用寄存器，每個寄存器對應(yīng)某種控制功能或狀態(tài)位，單片機通過SPI接口訪問或改寫這些寄存器地址里面的內(nèi)容。

有的是用于控制的，主要有：絕對位置、電氣位置、運行速度、最大/最小速度、加/減速度、步進單位、過電流門檻、保持/運行/加速/減速PWM功率周期、振蕩器頻率、PWM頻率。

有的是用于狀態(tài)檢測的，比如過流、過壓、欠壓、過熱、失步等警告。

這些參數(shù)的設(shè)置需要參考《L6470數(shù)據(jù)手冊》和所用步進電機的參數(shù)值，比如步進電機的轉(zhuǎn)速、扭矩、相位電阻、力矩-頻率特性曲線等。

2.3 相位電流控制

通常情況下，步進電機驅(qū)動電路是電流式控制設(shè)計，電流控制器監(jiān)測并控制繞組電流強度，因為電源電壓變化、停轉(zhuǎn)等會導(dǎo)致電流有很大變化，而且，隨著轉(zhuǎn)速提高或減小，電機的反電動勢(BEMF)的變化也會導(dǎo)致繞組電流的變化。L6470可以通過在電機繞組上施加電壓來控制相電流。雖然不能直接控制相電流的幅度，但是，相電流與相電壓的大小、負載、轉(zhuǎn)矩、電機電學(xué)特性和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。有效輸出電壓與電機電源電壓和補償系數(shù)Kval的積成正比。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 補償因子計算

圖3 軟件流程

KVAL=((KVAL_X+BEMF_COMP)×VSCOMP×K_THERM)×microstep

其中KVAL_X是當(dāng)前Kval值，BEMF_COMP是反電動勢補償因子，VSCOMP是輸入電壓，K_THERM是線圈電阻補償因子，microstep是當(dāng)前設(shè)置的微步數(shù)。

當(dāng)然可以利用ST公司提供的dSPIN evaluation tool可以方便地求出Kval值，只要你把電機的各個參數(shù)代入數(shù)據(jù)框，點擊一下evaluate按鍵就可以求出L6470的各個補償因子和對應(yīng)寄存器值。

3.MCU介紹

本設(shè)計所用的MCU為STM32F103C6T6，是ST公司最新的基于ARMv7內(nèi)核的32位處理芯片，ARMv7內(nèi)核有A，R，M這3個系列，R系列為軍工產(chǎn)品，M為中低端的民用消費產(chǎn)品，STM32F103C6T6屬于cortex-M3系列。

STM32F103C6T6性能：

這款STM32F103C6T6是TQFP-48封裝，具有32K FLASH ROM，10K SRAM，3個16位定時器，USART、I2C、I2S、SPI、USB、CAN等接口一應(yīng)俱全，所有的IO口都可以作中斷使用，內(nèi)核頻率高達72MHz，比同價格甚至更貴的51芯片1～2M的內(nèi)核頻率高出幾十倍。

4.軟件設(shè)計

STM32采用KEIL MDK編程環(huán)境進行軟件設(shè)計，如果原先掌握了51芯片的編程，STM32很容易上手，而且ST公司為開發(fā)者提供了豐富的固件庫，所有的功能開發(fā)者不再需要接觸底層的寄存器，直接調(diào)用高級函數(shù)就可以了，節(jié)省了開發(fā)時間，保證了設(shè)計質(zhì)量。

4.1 SPI固件庫

L6470通過SPI接口和STM32F103C6T6通訊，SPI是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進行通信：一條時鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO，用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。

STM32F103C6T6芯片擁有完備的SPI固件庫，使用固件庫要經(jīng)過以下幾步設(shè)置：

● 使能SPI接口要用到的IO口控制時鐘和SPI模塊控制時鐘；

● 配置IO口輸入輸出工作方式，這里設(shè)置為復(fù)用推挽模式；

● 配置SPI工作模式；

● 使能SPI模塊。

經(jīng)過配置以后就可以使用SPI庫函數(shù)控制L6470，下面是典型的L6470控制函數(shù)。

● void dSPIN_Peripherals_Init(void)

——初始化單片機和L6470連接的用于SPI通訊的4個GPIO端口的工作模式，初始化單片機內(nèi)部SPI模塊的工作模式。

● void dSPIN_Regs_Struct_Reset(dSPIN_RegsStruct_TypeDef* dSPIN_RegsStruct)

——按照L6470寄存器表的默認值初始化L6470相應(yīng)寄存器的參數(shù)值，這些參數(shù)值合并為一個寄存器結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)類型，用指向結(jié)構(gòu)體的指針訪問它們。

● void dSPIN_Struct_Value(void)

——按用戶定義設(shè)置寄存器的各個參數(shù)。

● void dSPIN_Set_Param(dSPIN_Registers_TypeDef param,uint32_t value)

——把參數(shù)寫入其對應(yīng)寄存器地址，具體對應(yīng)寄存器要寫什么參數(shù)值要結(jié)合《L6470數(shù)據(jù)手冊》和所用的步進電機的參數(shù)值。

● uint32_t dSPIN_Get_Param(dSPIN_Registers_TypeDef param)

——讀取對應(yīng)寄存器地址內(nèi)的參數(shù)。

● void dSPIN_Run(dSPIN_Direction_TypeDef direction,uint32_t speed)

——向L6470發(fā)送RUN指令，參數(shù)為方向和速度值

● void dSPIN_Move(dSPIN_Direction_TypeDef direction,uint32_t n_step)

——向L6470發(fā)送MOVE指令，參數(shù)為方向和步進數(shù)目

● void dSPIN_Go_To(uint32_t abs_pos)

——向L6470發(fā)送GO_TO指令，參數(shù)為運動到的絕對位置

● void dSPIN_Soft_Stop(void)，void dSPIN_Hard_Stop(void)，void dSPIN_Soft_HiZ(void)，void dSPIN_Hard_HiZ(void)

——發(fā)送停止指令，有軟停止，即減速到0，硬停止，即緊急制動，軟高阻，即減速到0再關(guān)閉MOS橋，硬高阻，即緊急制動并關(guān)閉MOS橋。

● uint16_t dSPIN_Get_Status(void)

——讀取狀態(tài)寄存器狀態(tài)標(biāo)志

4.2 整體軟件流程

單片機初始化完成后，開始對L6470進行電機初始工作參數(shù)設(shè)置，然后就可以發(fā)命令讓電機執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時還可以隨時接收串口的命令改變電機狀態(tài)。

下面的程序是一個電機運行的例子：

5.結(jié)論

本系統(tǒng)主要以高性能的STM32F103C6T6為控制芯片，L6470驅(qū)動芯片實現(xiàn)電機控制，降低了設(shè)計難度，節(jié)省了設(shè)計成本，減小了驅(qū)動器的體積，采用微步功能提高了步進電機的運行穩(wěn)定性，具有控制簡單、操作靈活的特點，L6470自有的各種電機檢測和保護功能提高了控制系統(tǒng)和電機的安全性和壽命，可以廣泛用在打印機、傳真機、機器人等精密控制領(lǐng)域。

[1]劉軍.例說STM32[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2011,4.

[2]SPI Block Guide[EB/OL].Motorola Ltd.[2003.5].http://www.motorola.com.

[3]Jose Yiu,宋巖(譯).Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2009,2.

[4]王永虹.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008,3.

[5]L6470 datasheet[EB/OL].ST Ltd.[2011.5].http://www.st.com/dspin.

[6]ST:STM32中文參考手冊.第10版.[EB/OL].STLtd.[2011.5].http://www.st.com.

王凱（1977—），男，四川成都人，學(xué)士，國營七八五廠第三研究所工程師。